Контрольная работа 1 АПз-310 / Электротехника Ч1

141

где I2 H – ток нагрузки при номинальном токе первичной обмотки, Кз – ко-

эффициент загрузки трансформатора.

U

I

I 2 = КЗ

2 Н

Так как U2 = U2 H − U , U2Н = n21·U1, a 2U = 2U*·U2Н/100, то дос-

таточно просто получить равенство, определяющее значение ординаты внешней характеристики трансформатора:

Выражение (10.32) показывает, что напряжение на выходе трансформатора зависит от параметров его внутреннего сопротивления (RК, Xк), ко-

эффициента мощности cosϕ2 и коэффициента загрузки. График представляет наклонную линию. Трансформаторы проектируют так, чтобы при номи-

142

нальном токе вторичной обмотки снижение выходного пряжения не превы-

шало (5 ÷ 10)% от номинального.

5. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определя-

ется отношением активной мощности Р2 на выходе трансформатора к

активной мощности Р1 на его входе

η = P2 / P1 .

Мощные современные трансформаторы могут иметь КПД больше 99%. В таких случаях мощности Р2 и Р1 настолько близки, что не существует измерительных приборов, способных их отличить. Поэтому КПД определяют косвенным методом, основанном на прямом измерении мощности Р2 и

мощности потерь Р. Так как

Р = Р1 − Р2 ,

то

Р2 + Р

Мощность потерь в трансформаторе 2Р равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе - РС и в проводах Рпр. Потери в магнитопроводе пропорциональны напряжению первичной обмотки U1. Обычно трансформаторы работают при номинальном напряжении первичной обмотки. Поэтому считают РС= const. Их определяют в опыте холостого хода.

Потери в проводах обмоток определяются токами обмоток, которые, в свою очередь, зависят от характера нагрузки. Так как нагрузка силовых

143

трансформаторов часто изменяется, то и потери в проводах переменные. Найдем выражение, удобное для их учета. Для этого вспомним, что ток холостого хода трансформатора пренебрежимо мал в сравнении с номинальным. Поэтому будем полагать, что в рабочем режиме

где SH - полная номинальная мощность трансформатора.

Подставляя (10.34) и (10.36) в (10.33) получаем окончательное выражение для КПД:

144

Выражение показывает, что КПД трансформатора зависит от значений коэффициента мощности нагрузки – cos ϕ2 и от коэффициента загрузки – КЗ. На практике максимум КПД достигается при средней нагрузке, когда КЗ =

0,7 ÷ 0,5, а отношение РС / РКН = 0,5 ÷ 0,25.

6. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

Среди силовых трансформаторов особое место занимают автотрансформаторы. Их применение становится целесообразным при значениях коэффициента трансформации не более 2. В этом случае КПД автотрансформатора выше, а размеры меньше, чем у обычных силовых трансформаторов.

Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что имеет лишь обмотку высшего напряжения. Обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. Обмотка высшего напряжения автотрансформатора может быть первичной (рис. 10.15, а) или вторичной (рис.

10.15, б).

При заданном первичном напряжении автотрансформатора по схеме рис. 10.15, а, при известном числе витков ϖ1 амплитуду магнитного потока

Фм в магнитопроводе можно определить по (10.9), т. е. Ф = U1 / jωϖ 1 . Этот магнитный поток индуцирует в каждом витке обмотки Э.Д.С., практически не зависящую от тока в обмотке. Следовательно, напряжения между отдельными частями обмотки поддерживаются постоянными. Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же соотношениями, что и в трансформаторе:

U1 /U2 = ϖ1 /ϖ 2 ≈ I2 / I1 .

145

Фазы токов в обмотках трансформатора одинаковы. Поэтому, пренебрегая влиянием намагничивающего потока, можно считать, что в общей части обмотки действующее значение тока равно разности токов I1 – I2.

Если коэффициент трансформации n12 = ϖ1 /ϖ 2 ≈ 1, то действующие значения токов I1 и I2 почти одинаковы, а их разность мала по сравнению с каждым из них. Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно сделать из более тонкого провода, т. е. стоимость и размеры автотрансформатора меньше, чем трансформатора.

У трехфазных автотрансформаторов обмотки обычно соединяются по схеме “звезда” c выведенной нейтральной точкой или без нее (рис.

10.15, в).

Внастоящее время мощные автотрансформаторы применяют на подстанциях с номинальными напряжениями 110 и 220 кВ, 154 и 220 кВ и т. п. Автотрансформаторы применяют для понижения напряжения на зажимах мощных синхронных и асинхронных двигателей при их пуске. В электротермии их часто используют для ступенчатого регулирования напряжения на нагревательных элементах печей.

Влабораториях широкое применение находят автотрансформаторы низкого напряжения с плавной регулировкой выходного напряжения (ЛАТР).

146

6.1. Индукционные катушки.

Автотрансформаторная связь широко используется в слаботочных цепях для создания устройств различного назначения. Одно из таких уст-

ройств – индукционные катушки или катушки зажигания. Они широко применяются в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрим принцип применения катушек зажигания более подробно.

Упрощенная схема системы зажигания двигателя с одним цилиндром приведена на рис. 10.16, а. Принцип ее работы легко применить к любому числу цилиндров.

Схема включает аккумуляторную батарею Е, катушку зажигания с первичной ϖ1 и вторичной ϖ 2 обмотками, прерыватель К2, конденсатор первичной цепи С1, добавочный резистор R, выключатель К1 и свечу зажигания. Частота, с которой замыкаются контакты прерывателя К2, определяется частотой вращения вала двигателя – n(об/мин). Выключатель К1 замыкается во время пуска двигателя.

При замыкании контактов прерывателя К2 через первичную обмотку катушки протекает ток, нарастая от нуля до некоторого значения. Его величину можно определить выражением:

E− L1 t

i = R1 (1− e Rэ ),

где L1 – индуктивность первичной обмотки, Rэ – эквивалентное сопротивление цепи первичной обмотки (сумма сопротивлений первичной обмотки, добавочного резистора R и проводов).

Время t, в течение которого нарастает ток i, зависит от частоты вращения вала двигателя n, числа цилиндров z, конструкции прерывателя. Постоянная цепи τ1 = L1/Rэ подбирается так, чтобы ток достигал максимального значения за время ≈ 0,2 с. Обозначим ток к концу интервала нарастания

147

iр. Величина электромагнитной энергии, запасаемой в магнитном поле катушки зажигания, определяется выражением

В момент зажигания контакты прерывателя К2 размыкают цепь первичной обмотки. Теперь схема замещения системы зажигания принимает вид рис. 10.16, б. Схема представляет два контура, связанные магнитным потоком. Емкость С2 – это распределенная емкость цепи вторичной обмотки, L1, L2 – индуктивности первичной и вторичной обмоток катушки зажигания, R1, R2 – эквивалентные сопротивления цепей, RП, RШ – сопротивления, имитирующие утечки тока на свече и магнитные потери.

При размыкании контактов прерывателя ток цепи первичной обмотки, в соответствии с (2.22), не может уменьшиться до нуля мгновенно. Чтобы сократить время уменьшения тока, а вместе с ним и магнитного потока, в цепь первичной обмотки включен конденсатор С1. Сопротивление разряженного конденсатора переменному току значительно (в m раз) меньше Rэ. Следовательно, падение напряжения на конденсаторе и между контактами прерывателя уменьшается в m раз. Это способствует уменьшению искрения.

Электромагнитная энергия, запасенная в катушке, преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов и частично превращается в тепло. Уравнение энергетического баланса в контурах (без учета потерь) име-

148

ет вид

где U1м, U2м – максимальные значения первичного и вторичного напряжения соответственно.

Так как

U1м = ϖ1 U2 м ,

ϖ 2

то из (10.37) легко получить выражение для расчета максимального значения напряжения на свече зажигания:

Выражение (10.38) приближенное, так как не учитывает потери энергии в контурах. Оно показывает, что напряжение на свече зажигания тем больше, чем быстрее исчезает магнитный поток, созданный током первичной обмотки, чем больше ток в момент разрыва контактов и число витков вторичной обмотки ϖ 2 . В реальных катушках зажигания оно достигает

15÷20 кВ. В первичной обмотке также индуцируется Э.Д.С. самоиндукции. Но, поскольку ϖ1 << ϖ 2 , E1 достигает значений 200÷400 В, направлена в ту же сторону, что и первичный ток и стремится задержать его исчезновение

Переходный процесс, после размыкания контактов прерывателя, носит колебательный характер. Ток первичной обмотки совершает несколько периодов затухающих колебаний, до тех пор, пока энергия, запасенная в магнитном поле катушки, не израсходуется на тепло в сопротивлении R1 контура.

Нагрузкой цепи вторичной обмотки является свеча. Напряжение элек-

149

трического пробоя Uпр в свече меньше максимального – U2м. Поэтому, как только выполняется равенство U2 = Uпр, в свече возникает искровой разряд и колебательный процесс обрывается.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

10.1.Приведите определение трансформатора и его упрощенную схему.

10.2.Для чего и в каких случаях в конструкцию трансформатора входит магнито-

провод?

10.3.Перечислите основные параметры трансформатора.

10.4.При каких условиях к анализу трансформатора можно применить математический аппарат линейной алгебры?

10.5.Как определяется коэффициент трансформации трансформатора?

10.6.Приведите векторные диаграммы идеализированного и реального трансформаторов. В чем их существенное отличие?

10.7.Какие параметры трансформатора определяют в опыте холостого хода?

10.8.Какие параметры трансформатора определяют в опыте короткого замыка-

ния?

10.9.Как определяется напряжение короткого замыкания?

10.10.Что позволяет определить внешняя характеристика трансформатора?

10.11.Почему КПД трансформатора определяют методом косвенного измерения?

10.12.В чем заключается конструктивное отличие автотрансформатора от транс-

форматора?

150

ТЕМА 3.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.

ЛЕКЦИЯ 11. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СРЕДСТВАХ

ИЗМЕРЕНИЙ

Средства измерений - это технические средства, используемые при

измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

От средств измерений зависит правильное определение значения измеряемой величины. Поэтому в рамках темы 3 будут рассмотрены классификация средств измерений, применяемых в области электротехники, основные метрологические характеристики, принцип построения и работы измерительных приборов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Многообразие средств приводит к многоступенчатой классификации (рис. 11.1). На первой ступени все средства разделяются на два класса: по функциональному назначению и по выполняемым метрологическим функциям.

По выполняемым метрологическим функциям все средства делятся на

эталоны, образцовые и рабочие средства. Эталоны – это средства измере-

ний, предназначенные для хранения, воспроизведения и передачи размеров

единиц физических величин рабочим средствам. Различают первичные эта-